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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    " x$ s" V; h) |' J  W( [3 Z* U) L" M; E3 E+ M! O5 E8 x
    前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。! K. r* t: ~- w6 K

    1 }3 D9 U9 H2 }* f7 ~氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    " Y! v* Z6 b4 k( F* j$ D- ^7 P$ w
    个头、模样大致如此,二十六公斤。  L, h5 r) Q2 W! L8 u( c8 j  N
    6 y' |6 N  ], G- P
    氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。4 l) j$ q/ K/ k1 Z
    # Y: @( P5 Q: {( `  W: q# q
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。. F7 @1 d/ m4 `

    & c0 v: g% }9 `# {6 G1 \  G  g, N定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?; J' Q4 v* Q2 S

    2 s. r* U1 g8 u) J) {还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    & h( V) W1 n. |- E0 ~, `4 M$ f  x' T- S) Q5 F1 t5 }
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
    5 H3 y. W% z4 s) X- j
    + G  G! }4 Q. i3 Z4 I不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    : q' k# c# U" y
    8 G2 k% @& J# @# k" _8 R啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。" ^5 [  m! d. x0 g- b
    4 Z. z* _6 S1 J: d. b4 L2 O8 `
    说些个大家可能百度不到的。9 a& V4 \, v  z7 o( {6 O2 z4 t
    % W# t* H! D% D4 h5 ?$ s% D, M
    ===前方高能===5 M. i" B8 V5 \7 O9 ^  }
    2 A+ c8 `% G  M7 z' v  K* Q
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。0 \& o# [# |& ?* f# z: ^

    # L0 j! q2 i$ E/ F+ B那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    7 c( s# _" |% {; p
    & @! W4 V! w# j1 k  b% {4 v' H# r* R) y+ U  S7 u  u4 t* g: L
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。8 F! s" n  T8 c* ?( r/ Z/ g

    & [0 Y; f4 |3 V% Q0 r' i: @* x1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!- P) E9 O8 H) W: Y( G  ^+ _

    # Z  c% b" {- v$ S4 G! E1 e那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。5 |2 j: H' p, a2 P' Z
    * u/ O! Q- F- o! B' V& j
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。
    ) W/ W7 w; b! Y" S' ?' b2 s
    1 A- }( y9 U/ _1 R% |7 i  `3 q; x1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。$ e- k: ^$ l% h. w) p, a7 |

    $ W8 o+ [" W3 g+ b" _. b4 ^1986年,十的负十四次方。
    - p  G. q" K9 `4 A% W5 o' {
    9 ^0 F" e9 v8 @7 |9 F2003年,十的负十五次方。- [; K$ d+ a0 F% b3 @" ^
    3 y+ b) f+ D! k6 A. h  s/ Z
    2017年,十的负十六次方。
    , [: ^$ s# {; s1 I" d
    " K- S$ `) \! w$ U& f( f) j这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。
    7 q, I3 E( C# P# O( w1 k+ f, f6 c4 V- X9 w) V1 [9 z+ u3 ^" }1 F1 O
    。。。: R0 Q& e8 m. F) w, `7 X
    2 Z4 d1 g" X9 P

    . m3 n& D+ `( s, [今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。
    4 h8 ?5 g  H8 t+ d/ q7 O. x/ a
    & U. T; b4 V8 ]2 I, T5 N9 _6 z# C) w2 K* d2 Q2 l) @

    9 g1 P- ?6 U: c& S  f1 Y

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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。( M# i8 @! R! T* {0 n
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    开心
    1 小时前
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2026-10-3 09:58
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑 / l; L& J) F' o4 x9 L0 ^) _
    0 H2 Q  y- M9 e
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) F1 v0 ]6 f. q" m- E* T$ g
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。  d5 Z7 x5 F6 n$ b
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    8 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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  • TA的每日心情
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    半小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    ( [# T6 v: v5 E5 Z9 Y安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    % A9 k& P: j  F0 ?3 c% m+ `
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。& N- h4 s" K& N: C+ A0 H) k, @
    他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:560 \! p) E! F& p7 D5 T- f7 w$ h  u' }
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。: `. B# Q4 a2 l
    他 ...
    + T: G/ Y- z: }) p7 i7 A8 k
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& @# P1 X9 ~  ^
    5071A好像这两年不好买了
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    : N4 V9 w, ?! F) ?0 R" D2 D短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    - D, W+ q- n$ A3 s1 S" S8 e* I/ Y5071A好像这两年不好买了
    : s# o3 L5 T9 x2 U% [5 }, v
    这个短稳长稳有出处嘛?
    & h; G( Q$ F* Y7 U( X4 u$ v3 @铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    / g' F# \: r; X6 ?7 C$ ]所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    3 H  `# b9 J: r: p' r+ G这个短稳长稳有出处嘛?
    - Y' M+ e7 T4 @' R4 {铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    % c1 u/ ^8 z: `$ U1 K1 G
    # z' F( i& }) l! A+ L1 F& T0 |4 U. M4 P3 k/ Z* d6 w8 ~
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 y+ L5 F# C" `, k2 ^7 z) ~* Q
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
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    8 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56& o* ?8 r$ L7 a0 k
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。3 _# f7 r; S% S2 G( Q. c9 O
    他 ...
    8 F' @' z' d2 W) b- T2 [! `
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:487 J+ t2 D' w; g" |* t' e
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 |, g: v1 ?8 T1 y- c8 r这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    - C0 N4 i/ n) y6 U
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    $ L8 V- o+ T0 N3 [. M! e6 k冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。( b% e( D% b4 L! U/ M& s0 o' X* S

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:354 Q: |$ m1 s9 M) m- k, r3 F( y8 v0 i3 K: X
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。$ Y6 r" C" k: i: x
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    $ v  D' U7 W/ V可能高端的铯钟做的更好一些吧
    / _$ M# U7 S) v0 c" x5 l% z从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    ( }- [' \. ?& m1 h时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    8 I2 M9 x( b- t0 J安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    4 I, O+ o" m6 v, X嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    4 天前
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33" u0 Y" |% V' R  g! `. `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ; O$ n$ U& f3 i& w6 g从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳5 v- ]; M, P! F! X. o5 @7 j  C9 X8 T
    时间基准据说 ...

    : ~( w: B, i/ k: _  m8 Y2 b& a请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    " K# `" A/ B2 R# c8 k' j2 T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    + W( N+ _; U9 j) O7 ?7 A6 R9 h2 l
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整. f% q8 [" Z' n$ o8 W
    9 \5 q3 t  G+ E# I
    不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
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    4 天前
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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    % D! f2 ~% P- B  d& q8 \如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    % a  \( ]& H# F& u4 H
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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